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电弧喷涂板料成形模制造工艺实践 |
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作者：朱东波 王伊卿 李涤尘 卢秉恒 |
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摘要： 将电弧金属喷涂技术与快速原型制造(RPM)技术相结合，尝试一种新的简易板料拉延模具制造方法。实践表明此方法制模成本低、周期短，所制造的模具综合性能优于其它简易模具，如低熔点合金模、金属粉树脂模等，在自由曲面拉延模的制造中有很好的应用前景。
关键词： 模具制造, 电弧喷涂, 快速原型, 板料成形
1 前言
自由曲面拉延件在汽车车身中占有很大比例，这一类零件冲压工艺复杂，其模具制造周期长、成本高，一般要通过反复调试、修正才能满足要求。为了对付激烈的市场竞争，在新品开发或小批量试制时经常采用简易模具，如低熔点合金模、锌基合金模、金属粉树脂模等。这些模具具有制造周期短、成本低的优点，但它们也各有不足，如低熔点合金、锌基合金凝固收缩率较大（1%），制模时难于控制尺寸精度，前者还要大量用到我国稀缺的材料铋；金属粉树脂模硬度和耐磨性较差。
本文将电弧喷涂技术和RP&M 技术相结合，寻求一种新的薄板自由曲面拉延模快速制造方法。近十几年，电弧喷涂技术在塑料成形模具制造中得到应用，但有关其在板料成形模具制造中的应用少有报道，本文在这方面作了一些探索性的工作。结果表明此方法效率高、成本低，模具表面硬度高于低熔点合金模和金属粉树脂模，有很好的应用前景。
2 电弧喷涂模具制造特点及工艺过程
2．1 电弧喷涂原理及特点
70 年代，美国TAFA 公司推出新的电弧金属喷涂设备，率先实现了电弧金属喷涂在模具制造中的应用[1]。目前，国内有多家公司和研究所生产电弧喷涂设备和喷涂用丝材，市场提供的丝材品种有铝、锌、铜、不锈钢、超低碳不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合材料等[2]。
电弧喷涂的基本原理是以两根分别接直流电源正负极的金属丝（Φ2～3mm）作自耗性电极，利用其端部产生的电弧将自身熔化；处于电弧点正后方的喷嘴射出高速、高压空气使熔化的金属脱离且雾化成微粒，以极高速度撞击基体表面，扁平化，形成光滑、致密、低气孔率的金属涂层。电弧喷涂工艺参数主要有：电压、电流、雾化气压、送丝速度、喷枪移动速度和喷涂距离等。
电弧喷涂的主要优点有[3]：（1）涂层性能优异，颗粒变形充分，孔隙率低，涂层致密。（2）喷涂时工件受热轻微，基材不变形，涂层应力小。（3）喷涂效率高。(4)节约能源，能源利用率可达60%～90%。(5)安全可靠，操作灵活。
2．2 电弧喷涂制模工艺过程及特点
可用以电弧喷涂的材料很多，但由于高熔点合金收缩应力太大容易开裂，故目前用于模具制造的多是锌、铝及其合金。电弧喷涂制模的一般步骤如图1 所示：
图1 电弧喷涂模具制造工艺过程
电弧喷涂制模技术具有以下优点：
(1) 制模时间短，有利于新产品开发，符合日趋激烈的市场竞争的需求。
(2) 成本低，在新品开发或小批量生产时，制造成本仅是用机床生产的1/10、铝铸造法生产的1/2[1]，且工艺简单，易于掌握，不需要价格昂贵、复杂的机加工设备。
(3) 与非金属材料模具，如金属粉树脂模相比，模具的表面硬度、耐磨性、光洁度等性能有较大的提高。
(4) 复型性好，适用于各种原型材料，如金属、木材、蜡或环氧树脂；制模精度高，无热扭曲或热收缩问题，喷涂时原型表面温度一般不超过66℃[1]。
(5) 原型尺寸不受限制，从数平方毫米到数平方米的零件都可进行喷涂。
3 快速原型（RP）技术特点
电弧金属喷涂制模需要首先获得零件原型。以前，对于自由曲面的板料冲压件，原型的制备和修改比较困难。今天，日趋成熟的RP 技术为此提供了快捷方便的解决途径。
快速原型制造(RPM-Rapid Prototyping Manufacturing)是80 年代末美国3D 公司首先开发的全新概念制造技术[4]，90 年代初我国开始启动这方面的研发工作，目前清华大学的LOM、FDM，西安交通大学的SLA，华中理工大学的LOM，南京航空航天大学、北京隆源公司的SLS 等RP 设备均已投入市场或提供服务[5]。
快速原型制造技术的基本原理如图2 所示：
图2 快速原形制造系统工作原理
RP 技术实现了制造的完全柔性化和数字化，其突出优点如下：
(1) 快速性：通过STL 文件可与几乎所有的CAD 造型系统无缝连接，从ＣＡＤ模型到完成原型制作通常只需几到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈。
(2) 高度柔性：RP 制作过程本质上是信息传递和转换过程，它无需工夹具，无须生产准备，零件的设计和修改只涉及其CAD 模型。
(3) 成型零件无复杂性工艺限制：以重复的简单二维操作成型复杂的三维零件，可以实现高度自动化和程序化，特别适合于成型形状复杂、传统方法难以制造甚至无法制造的零件。
(4) 高度集成化：CAD 数据转换成STL 格式后，即可开始RP 制作，同传统的数控加工方法相比，克服了CAD/CAM 集成时CAPP 这一瓶颈问题。
4 电弧喷涂板料成形模实践
选取Audi 车门的1∶5 原型为实践对象，采用电弧喷涂技术制造其冲压模具并实际冲压，考察工艺的可行性和冲压质量。
(1) 原型制造
汽车车门属于3D 自由曲面造型，用一般加工手段难以快速准确地得到其原型。采用西安交通大学研制的LPS-600A 激光快速成形系统在24 小时内即得到了1∶5 的Audi 车门原型（图3、4），原型精度0.1mm。
图3 Audi 车门（1：5）模具凹模树脂原型 图4 Audi 车门（1：5）模具凸模、压边圈树脂原型
(2) 翻制石膏模
模具型面有大块平坦面积，若直接在树脂原型上喷涂金属易产生涂层剥离现象，为此，用树脂原型翻制石膏模作为喷涂模型。石膏具有很好的复型性，且与金属涂层有较强的沾接力，是制作喷涂模型的良好材料。为增加石膏模型的强度，在其中加入10%的高强度水泥高铝625。翻制的石膏模型如图5、6 所示。
图5 石膏模—凹模 图6 石膏模—压边圈、凸模
(3) 电弧喷涂
经过反复试验，喷涂参数取为：电压30V、电流80A、送丝速度1m/min、空气压力0.65~0.75MPa、喷涂距离140mm。
在电弧喷涂前，需在石膏模型上喷涂隔离剂。隔离剂有两方面的重要作用，其一是释放涂层收缩应力，以防止涂层在喷涂过程中产生剥离；其二是对表层石膏进行强化。
喷涂金属为Zn-Al 伪合金，其涂层机械性能接近Al，喷涂工艺性能接近Zn，制备工艺简单，是一种具备优良综合性能的电弧喷涂模具制造材料[6]。
由于模具面积较大，喷枪移动速度要尽量大，以使金属微粒之间紧密结合。在型面比较平坦处，喷涂厚度取1~2mm；在过渡圆角区或型面变化比较剧烈的部位喷涂厚度取3~4mm。
(4) 浇注添充料
将喷好金属涂层的石膏模型置入预先准备好的金属框内，再将预制好的钢或铸铁模具基体固定好，基体与喷涂型面间的空隙距离保持在10~20mm，其中浇注填充料。
填充料主要由环氧树脂850S、固化剂聚酰胺651、100#还原铁粉组成。操作步骤：①将850S加热到30~50℃，然后加入10%的丙酮稀释，已以增加其流动性；②将还原铁粉烘烤到50~60℃，倒入850S 中搅拌，搅拌均匀后将混合物静置1~2 小时，以使空气充分排出；③加入固化剂搅拌均匀，静置10~15 分钟；④将添充料一次注入模具框架，保温35℃2~4 小时，接着在室温下固化24 小时即可脱模。
(5) 脱模及表面抛光
石膏与金属喷涂层的结合较为紧密，但其性脆，采用破碎法很容易脱模。对于型面非常复杂的零件可采用溃散石膏，这种石膏固化后加热到160℃在水中浸泡即自我粉碎，脱模非常方便。
电弧金属喷涂及石膏翻模的复型性都很好，所以最后得到的模具精度和表面光洁度主要取决于光固化树脂原型的精度和光洁度，脱模后模具表面只需简单抛光即可。制造好的模具如图7 所示。
图7 电弧喷涂模具 图8 实际冲压样件
(6) 试冲压
试冲压在XPSCEF-100 型双动冲压试验机上进行。压力机的主缸压力100 吨，压边缸压力20吨。试冲坯料为0.6mm 的08Al 低碳钢板。冲压好的样件如图8 所示。
5 结论
应用电弧喷涂技术制造金属板料成形模具是一种新的尝试，通过以上实践取得一些经验和有意义的结果，同时也发现不少问题需作进一步的研究。
(1) 应用电弧喷涂技术制造金属板料成形模具成本底、周期短；比较适用于型面无剧烈变化的自由曲面成形模的制造。与RP 技术相结合使模具制造效率大大提高。
(2) 本方法制造板料成形模工艺简单、效率高、设备要求低、模具表面光洁度好。机械性能测试结果：气孔率0.8%、抗拉强度38MP、硬度67HV。
(3) 由于试压数量较少（20 件），故目前还难以确定电弧喷涂板料成形模的寿命范围。但其寿命应在金属粉树脂模之上，有报道表明金属粉树脂模的寿命可达2000 件以上[7,8]。与金属粉树脂模类似，在电弧喷涂模具的重要受力部位，如过渡圆角、拉延筋处镶嵌钢或铸铁块可大大提高其强度和寿命。
(4) 目前实用的制模材料还仅限于锌、锌铝合金、锌铝伪合金等低熔点金属，与其它高熔点金属相比其最大的问题是强度低、耐磨性差。西安交通大学先进制造技术研究所正在进行的研究表明，采取一定的工艺措施可使锌铝合金涂层的硬度从目前的67HV 上升到120HV 以上。将锌铝铜合金用于电弧喷涂制模工艺的研究也在进行之中。
参考文献
[1] 高克强．谈FRP 模具表面金属化工艺．玻璃钢/复合材料，1997，No.2，p31-34
[2] 蔡 挺．热喷涂技术的现状和应用．广东有色金属学报，Vol.9,No.11,1999,5, p59-63
[3] 庄 军，陈善忠．电弧喷铝长效防护涂层工艺的研究．铁道车辆， Vol.36,No.4,1998,4, p95-97
[4] Jacobs,Paul.F．Rapid Prototyping & Manufacturing, Fundmentals of Sterolithgraphy．SME, 1992
[5] 陈贤杰，李晓蓓，李敏贤．RPM 技术在我国的发展与对策．98 全国RP 与模具快速制造会议录，RP 技术与快速模具制造，卢秉恒主编，陕西科学技术出版社，1998，p1-6
[6] 王伊卿，赵文轸，唐一平等．电弧喷涂模具材料性能研究．中国机械工程，2000，6(待发)
[7] 何本奎．塑、钢结构在汽车覆盖件拉伸模的应用．模具工业，1995.6，p5-8
[8] 焦国有．微型客车顶盖冲压成型用复合材料模具及制造工艺．汽车技术，1996.3，p36-39(end)
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(5/21/2005) |
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